Conception d'un système optique aéroporté miniaturisé à zoom continu infrarouge de longueur d'onde moyenne

L'imagerie infrarouge est complétée par le rayonnement infrarouge rayonné par l'objet lui-même après avoir traversé le système d'imagerie, et le rayonnement thermique est lié à la température de l'objet. Par conséquent, l’imagerie infrarouge peut permettre d’obtenir une imagerie toute la journée, de jour comme de nuit, et a la capacité de détecter et d’identifier des cibles par tous les temps.

De plus, du fait qu’elle appartient à l’imagerie passive, elle présente l’avantage de ne pas être facilement perturbée et possède de fortes capacités d’identification par camouflage. Les systèmes d'imagerie infrarouge sont installés dans les systèmes optoélectroniques aéroportés des véhicules aériens tels que les hélicoptères, les avions à voilure fixe et les drones pour aider à accomplir des missions de combat telles que la connaissance de la situation sur le champ de bataille, la recherche de cibles, le suivi de cibles, la détection et l'identification de cibles et l'évaluation des effets des armes. orientation et grève. En bref, les systèmes d'imagerie infrarouge sont devenus l'une des configurations standards des systèmes optoélectroniques.

Le système optique d'imagerie infrarouge à focale fixe a une distance focale fixe, ce qui rend difficile la satisfaction des exigences de détection et d'identification de cibles à différentes distances. Le système optique infrarouge à zoom continu présente un grand champ de vision dans l'état de mise au point courte, et sa zone de réception d'imagerie est grande ; dans l'état de mise au point longue, le champ de vision est petit et la résolution d'imagerie est élevée. Appliqué dans le système optoélectronique aéroporté, le grand champ de vision peut être utilisé pour un large éventail de recherches de cibles, et le petit champ de vision peut être utilisé pour une inspection et une identification détaillées, un suivi et une visée de la cible.

De plus, étant donné que le système d'imagerie à zoom continu maintient toujours une image claire de la cible lorsque la distance focale est modifiée, lors du suivi ou de la visée de la cible, la distance focale peut être ajustée en fonction des besoins d'observation en sélectionnant le champ de vision d'observation approprié. . Pendant le processus de changement de champ de vision, le suivi stable de la cible peut être maintenu sans manquer, améliorant ainsi efficacement la conception ergonomique.

Dans cet article, la combinaison de l’objectif à grossissement afocal frontal et du système optique à zoom continu arrière est adoptée. Après avoir ajouté la lentille grossissante, un 22^Xun système optique à zoom continu de 30 à 660 mm est réalisé. Le système optique à zoom continu arrière peut réaliser un 22^Xsystème optique à zoom continu de 15 à 330 mm après retrait de la lentille de grossissement afocal frontal.

1. Indicateurs de conception

Dans cet article, un système optique à zoom continu est conçu pour le détecteur infrarouge refroidi par élément 640 × 512, largement utilisé. La taille des pixels du détecteur est de 15 μm × 15 μm et la bande de réponse est de 3,7 à 4,8 μm. Les paramètres de conception du système optique sont présentés dans le tableau 1.

2. Idées de conception

La figure 1 montre la composition du système optique. La lentille de grossissement à expansion afocale frontale et le système optique à zoom continu arrière sont combinés. Les deux parties sont conçues indépendamment. Le système optique à zoom continu arrière adopte une structure de compensation mécanique à trois composants, raccourcissant ainsi efficacement la longueur du système optique et réalisant une conception miniaturisée.

L'avant est un 2^Xtélescope afocal, utilisé pour étendre la distance focale du système optique. Dans la conception, la pupille de sortie du système téléobjectif avant et la pupille d'entrée du système de zoom continu arrière correspondent. L'objectif de grossissement frontal double la distance focale du système optique à zoom continu arrière pour obtenir une mise au point longue, ce qui convient aux systèmes de pods optoélectroniques aéroportés à grande échelle pour la détection de cibles à longue distance.

Après avoir retiré la lentille d'expansion afocale avant, le système optique à zoom continu arrière peut être utilisé comme système de zoom continu indépendant dans le système de pod optoélectronique aéroporté de petite et moyenne taille pour la détection de cibles à courte portée.

Fig.1 Composition du système optique à zoom continu

La figure 2 est le schéma optique du système de zoom continu arrière, dans lequel 1 est le groupe fixe avant, 2 est le groupe zoom, 3 est le groupe de compensation et 4 est le groupe fixe arrière.

Fig.2 Diagramme schématique du système de zoom à compensation mécanique

Le taux de zoom du système est :

Dans la formule : β₂et β₃sont les grossissements initiaux des deuxième et troisième composantes respectivement ; β*₂et β*₃sont les grossissements des deuxième et troisième composantes après le mouvement de zoom.

Les grossissements initiaux du groupe zoom et du groupe compensation sont :

Dans la formule : f₁', F₂', F₃' sont respectivement les distances focales des première, deuxième et troisième composantes ; d₁₂est l'intervalle initial entre les première et deuxième composantes ; d₂₃est l'intervalle initial entre les deuxième et troisième composants.

Les grossissements du groupe de zoom et du groupe de compensation après le mouvement du zoom sont les suivants :

Dans la formule ci-dessus :

L'ampleur du mouvement du groupe de rémunération :

Les intervalles entre les composants sont :

Donnez d’abord les valeurs initiales normalisées : d₁₂, d₂₃, F₂'=-1,f₃', β₃=-1√M pour calculer la structure initiale du système.

En prenant la focale courte comme position de départ, la valeur normalisée est donnée : f₂'=-1. Lors de la conception, la distance focale du groupe de compensation ne doit être ni trop longue ni trop courte. S'il est trop long, la quantité compensatoire requise du plan image de compensation sera trop importante, ce qui va à l'encontre de la réalisation d'une conception de miniaturisation. Si elle est trop courte, l'ouverture relative entreprise par le groupe de compensation sera trop grande, ce qui rendra la correction des aberrations plus difficile. La distance focale du groupe de compensation est généralement environ 3 fois la distance focale du groupe de zoom, et f₃'=3.

Lorsque la mise au point est la plus courte, la distance entre le groupe zoom et le groupe fixe avant est la plus proche, donc la sélection de d12 doit garantir que les objectifs ne se touchent pas et laissent une certaine marge, et prendre d12=0,5. En supposant d23=6 en focale courte, selon les formules (1) à (9), le système est en état de focalisation longue : d*₁₂=7,3, d*₂₃=0,6, et les distances focales de chaque composante sont f₁'=11,f₂'=-1,f₃'=3.

3. Résultats de conception et évaluation de la qualité de l’image

3.1 Résultats de conception

Le modèle de structure optique à zoom continu à compensation de groupe positif mécanique est utilisé, et le logiciel de conception optique est utilisé pour l'optimisation une fois le modèle initial établi et zoomé. En raison du grand champ de vision à courte focale du système, les aberrations hors axe et les aberrations d'ordre élevé sont relativement importantes. Pour la correction des aberrations d'ordre élevé, la conception introduit des surfaces asphériques et diffractives d'ordre élevé pour mieux équilibrer les aberrations hors axe et sur l'axe.

Avec la structure d'imagerie secondaire, la pupille d'entrée du système est plus proche du groupe de lentilles avant, de sorte que la projection du rayon principal du champ de vision hors axe sur le groupe de lentilles avant est plus faible, réduisant ainsi l'ouverture du groupe de lentilles avant. lentille.

De plus, dans la conception de la structure optique-mécanique, un diaphragme de champ est réglé à la position du plan image principal, de sorte que la lumière parasite en dehors du champ de vision du système ne puisse pas traverser le diaphragme de champ pour atteindre le plan image, ce qui peut réduire efficacement l'influence de la lumière parasite sur l'imagerie du système optique, ce qui améliore le rapport signal/bruit.

Le diaphragme d'ouverture est placé au niveau de la pupille de sortie du système optique. Le diaphragme d'ouverture est le même que le diaphragme froid du détecteur de refroidissement. Ainsi, le nombre F du système est le même que celui du détecteur, atteignant une efficacité de diaphragme froid de 100 %. Par conséquent, il n’y aura aucune perte d’énergie causée par la coupe des poutres ; par conséquent, la sensibilité du système est améliorée.

La conception finale du système optique est représentée sur les figures 3 à 6. Après avoir ajouté la lentille d'expansion, il peut réaliser le 22^Xfonction de zoom continu avec la distance focale changeant continuellement dans la plage de 30 à 660 mm. La longueur optique totale du système est de 244 mm et le rapport longueur totale/focale maximale est de 0,37, il présente donc les caractéristiques d'une petite longueur optique totale et d'un grand rapport de zoom.

Après avoir retiré le prolongateur afocal avant, le système optique de zoom continu arrière peut réaliser une fonction de zoom continu 22 fois avec la distance focale changeant continuellement dans la plage de 15 à 330 mm. La longueur optique totale du système optique à zoom continu est de 138 mm et le rapport longueur totale/focale maximale est de 0,42. La longueur totale du système est courte et le volume est petit.

Fig.3 Disposition du système optique à 15 mm

Fig.4 Disposition du système optique à 330 mm

Fig.5 Disposition du système optique avec rallonge à 30 mm

Fig.6 Disposition du système optique avec rallonge à 660 mm

3.2 Évaluation de la qualité des images

Pour le système optique d'imagerie, la fonction de transfert de modulation optique (MTF) est le rapport entre le degré de modulation de l'image et le degré de modulation de l'objet. Il est fonction de la fréquence spatiale et peut exprimer le changement du contraste de l'arrière-plan cible après passage dans le système d'imagerie à chaque composante de fréquence.

Les parties haute fréquence, fréquence intermédiaire et basse fréquence reflètent respectivement le transfert de détail, le transfert de niveau et le transfert de contour de l'objet, qui sont les critères les plus complets de performance du système optique d'imagerie.

Les figures 7 et 8 sont les courbes MTF du système optique dans cet article lorsque la mise au point courte est de 15 mm et la mise au point longue est de 330 mm sans ajouter de lentille grossissante. D'après les figures, au point où le détecteur refroidi 640×512 a la fréquence caractéristique de 331p/mm, les valeurs MTF du champ de vision central sont toutes autour de 0,3, ce qui est proche de la limite de diffraction. Les valeurs MTF du champ de vision de 0,7 sont toutes autour de 0,2, et les valeurs MTF des champs de vision de bord sont toutes autour de 0,15. Pour le système d’imagerie aéroporté, la zone principale observée par l’œil humain se situe dans le champ de vision de 0,7 de l’image. Par conséquent, le système optique peut répondre aux exigences de l’application.

Fig.7 Graphique MTF avec une distance focale de 15 mm Fig.8 Graphique MTF avec une distance focale de 330 mm

Les figures 9 et 10 sont les courbes MTF du système optique dans cet article après avoir ajouté la lentille grossissante lorsque la mise au point courte est de 30 mm et la mise au point longue est de 660 mm. D'après les figures, au point où la fréquence caractéristique du détecteur refroidi 640×512 est de 331p/mm, les valeurs MTF du champ de vision central sont toutes autour de 0,3, ce qui est proche de la limite de diffraction. Les valeurs MTF du champ de vision 0,7 sont toutes autour de 0,2, et les valeurs MTF des champs de vision périphériques sont toutes autour de 0,15, ce qui peut répondre aux exigences de l'application.

Fig.9 Graphique MTF avec distance focale de 30 mm avec prolongateur Fig.10 Graphique MTF avec distance focale de 660 mm avec prolongateur

Dans le processus d'imagerie de l'optique géométrique, en raison de l'aberration du système optique, une fois que la lumière émise à partir d'un point de la surface de l'objet est imagée par le système optique, elle n'est plus concentrée en un point du plan image, mais forme dans une certaine plage, un motif d'image géométrique appelé diagramme ponctuel.

Le diagramme ponctuel constitue la base de l'évaluation de la qualité de l'image et constitue une méthode pratique et simple pour utiliser le diagramme ponctuel pour évaluer la qualité de l'image du système optique. La racine moyenne carrée (RMS) du diamètre de la tache diffusée du système optique est le diamètre d'un cercle contenant environ 68 % de l'énergie.

Les figures 11 et 12 montrent le système optique de cet article sans ajout d'extenseur, avec une focale courte de 15 mm et une focale longue de 330 mm. Il ressort des figures que le diamètre maximal de speckle RMS du système est de 20,9 μm. Le diamètre du disque Airy du système est de 2,44λ.F#=39,04μm ; par conséquent, le diamètre du spot diffusé est inférieur au diamètre du disque Airy, ce qui répond aux exigences de l'application.

Fig.11 Diagramme spot lorsque la distance focale est de 15 mm Fig.12 Diagramme spot lorsque la distance focale est de 330 mm

Les figures 13 et 14 sont les diagrammes ponctuels du système optique dans cet article après avoir ajouté la lentille d'expansion lorsque la mise au point courte est de 30 mm et la mise au point longue est de 660 mm. Il ressort des figures que le diamètre maximal du point de dispersion RMS du système optique est de 23,5 μm, ce qui est plus petit que le diamètre du disque d'Airy de 39,04 μm ; il répond ainsi aux exigences de l'application.

Fig.13 Diagramme spot lorsque la distance focale est de 30 mm avec prolongateur Fig.14 Diagramme spot lorsque la distance focale est de 660 mm avec prolongateur

Dans la structure d'un objectif à zoom continu, une came de zoom est généralement utilisée pour entraîner le déplacement du groupe de zoom et du groupe de compensation. Les deux groupes de lentilles du groupe zoom et du groupe de compensation sont respectivement montés sur deux chariots, et une broche de guidage est fixée sur chaque chariot et se déplace le long de la rainure courbe de came.

Lorsque le moteur tourne pour entraîner la came en rotation, les broches de guidage des deux chariots se déplacent le long de leurs rainures de guidage respectives, entraînant le groupe de zoom et le groupe de compensation à se déplacer le long de l'axe optique dans une relation prédéterminée, modifiant ainsi la distance focale de la lentille.

Le mécanisme présente les avantages d'une transmission stable, d'un contrôle simple, d'une fiabilité, d'un rebond nul et d'un faible jeu. La rainure de la courbe de la came de zoom est traitée par les données de la courbe de zoom dans la machine-outil CNC. Par conséquent, pour le système optique à zoom continu, l’ajustement de la courbe de zoom constitue le lien clé entre la conception optique et la conception de la structure optique-mécanique.

La figure 15 est le diagramme de courbe de mouvement de zoom du système optique de zoom et du groupe de compensation, dans lequel l'abscisse est la distance focale du système optique, et l'ordonnée est la distance entre le groupe de zoom et le groupe de compensation par rapport au groupe fixe avant. . On peut voir sur la figure que le mouvement du groupe de zoom et du groupe de compensation est fluide et continu pendant le processus de changement de distance focale, et qu'il n'y a pas de point d'inflexion, ce qui peut efficacement éviter la stagnation du système pendant le mouvement du zoom.

Fig.15 Courbes de zoom du sous-système de zoom continu

4. Conclusion

Cet article adopte la combinaison de l’extenseur afocal frontal et du système optique à zoom continu arrière. Après avoir ajouté le prolongateur, un 22^Xun système optique à zoom continu de 30 à 660 mm est réalisé. La longueur optique totale du système est de 244 mm et le rapport longueur totale/distance focale maximale est de 0,37. Le système est donc de structure compacte et présente les caractéristiques d'une petite longueur optique totale et d'un grand rapport de zoom, et convient à systèmes de pods photoélectriques aéroportés à grande échelle pour la détection de cibles à longue distance.

Après avoir retiré l'extenseur afocal avant, le système optique à zoom continu arrière peut réaliser un 22^Xsystème optique à zoom continu de 15 à 330 mm. La longueur optique totale du système est de 138 mm et le rapport longueur totale/focale maximale est de 0,42. Il peut être utilisé comme système de zoom continu indépendant pour les systèmes de modules photoélectriques aéroportés de petite et moyenne taille pour la détection de cibles à courte distance.

Selon les différents besoins de l'équipement de mission, le miroir d'expansion frontal peut être ajouté ou retiré pour s'adapter aux exigences de volume et de distance focale des différents modules optoélectroniques pour le système de zoom continu infrarouge, raccourcissant ainsi efficacement le cycle de développement du système, réduisant ainsi les coûts techniques. risques et coûts de développement, élargissant le champ d'application du produit et prolongeant le cycle de vie du produit. En bref, il a de bonnes perspectives d’application dans l’optoélectronique aéroportée et dans d’autres domaines.

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Auteurs : Wu Haiqing, Wang Weichao

Source du journal : Technologie infrarouge Vol.43 No.12 décembre 2021

Date de réception : 2021-01-01 ; Date de révision : 2021-11-25

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